UHTCC/RC復合梁剪切性能試驗研究

張秀芳，郭少鵬

(大連理工大學 建設工程學部， 遼寧 大連 116024)

UHTCC/RC復合梁剪切性能試驗研究

張秀芳，郭少鵬

(大連理工大學 建設工程學部， 遼寧 大連 116024)

超高韌性水泥基復合材料(UHTCC)以其多重細密穩(wěn)態(tài)開裂模式在宏觀上展現(xiàn)出拉應變硬化特征，具有優(yōu)異的裂縫控制能力，可用作修補材料。采用UHTCC替代部分受拉區(qū)混凝土對有腹筋UHTCC/RC復合梁進行了剪切性能研究。試驗變量為UHTCC層厚度。結果表明：不同UHTCC層厚度的UHTCC/RC復合梁，其抗剪承載力均明顯高于RC對比梁；即便配置較密集的箍筋，仍然無法阻止界面剝離，但可以避免界面剝離產生的荷載抖降；UHTCC能夠限制和分散上層混凝土中的裂縫。最后，給出了UHTCC/RC復合梁在實際應用中的建議。

UHTCC/RC復合梁；剪切性能；界面剝離；裂縫寬度；裂縫形態(tài)

我國現(xiàn)有鋼筋混凝土結構由于低劣的施工質量、環(huán)境條件的惡化、設計使用荷載的提高和國家設計規(guī)范的調整等，大多還遠未達到設計使用年限就已經出現(xiàn)嚴重的耐久性問題[1-3]。超高韌性水泥基復合材料(UHTCC)作為一種新型纖維水泥基復合材料[4]，采用微觀力學設計和調整[5-6]，使用短纖維增強，且纖維體積分數不超過2.5%，通過多重細密裂縫的穩(wěn)態(tài)開裂模式實現(xiàn)宏觀拉應變硬化特點，極限拉應變可穩(wěn)定達到3%以上，具有不同于傳統(tǒng)混凝土的優(yōu)異性能，可用作修補材料[7-8]。

近年來，各國學者對UHTCC作為修補材料進行了大量的試驗研究，Maalej J M等[9]、徐世火良等[10-12]、侯利軍等[13-14]將UHTCC用于提高混凝土構件彎曲性能的修補試驗中，結果均表明：UHTCC替代部分受拉區(qū)混凝土后，UHTCC層不僅能夠限制上層混凝土中裂縫的發(fā)展，而且能夠將上層混凝土中較寬的裂縫分散成多重細密裂縫，有效阻止有害物質侵入混凝土內部，提高構件耐久性。但在將UHTCC用于提高混凝土構件剪切性能的試驗中，Kim J H J等[15]研究表明DFRCC層厚為2倍混凝土保護層厚度的DFRCC/RC復合梁由于界面發(fā)生嚴重剝離，導致其抗剪承載力相比于RC對比梁并沒有提高。Zhang Yongxing等[16]研究表明SHCC層雖然能夠提高RC梁的抗剪承載力，但SHCC剪切加強層的延性卻明顯降低了。由于構件受剪時傳力機制非常復雜，因此有必要對發(fā)生剪切破壞的UHTCC修補后的RC梁進行深入的研究。

本文通過UHTCC置換不同厚度受拉區(qū)混凝土來模擬修補保護層混凝土剝落、鋼筋銹蝕的既有構件，旨在研究UHTCC/RC復合梁的剪切性能及UHTCC層和混凝土層間的界面粘結性能。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗中所采用的UHTCC材料是由PVA纖維和UHTCC復合材料組成，PVA纖維直徑為0.04 mm，長度為12 mm，抗拉彈性模量為40 GPa，抗拉強度為1 600 MPa，UHTCC復合材料由普通硅酸鹽水泥、精細砂、粉煤灰和礦物摻合料按照一定比例摻和而成。在配置UHTCC時，首先將25 kg UHTCC復合材料干粉倒入攪拌鍋中，干攪1 min～2 min，攪拌均勻后緩緩加入5.25 kg水，繼續(xù)攪拌5 min～6 min，然后將一包PVA纖維在1 min～2 min緩慢加入到攪拌鍋中，繼續(xù)攪拌5 min～6 min，當觀察到纖維無結團現(xiàn)象且拌合物具有良好的流動性和黏聚性時，即成功配置出UHTCC?；炷敛捎么筮B龍億建筑材料有限公司提供的目標強度等級為C50的商品混凝土，配合比為：水泥∶河砂∶碎石∶水=360∶685∶1050∶185最大骨料粒徑為25 mm。試驗中底部受拉鋼筋采用直徑為20 mm的帶肋鋼筋，架立筋和箍筋分別采用直徑為8 mm和6.5 mm的光圓鋼筋，直徑為8 mm的架立筋屈服強度和極限強度分別為318 MPa和456 MPa，其它鋼筋強度見表1。

1.2 試驗梁制作

本次試驗共制作4根有腹筋梁，包含1根RC對比梁和3根UHTCC/RC復合梁，試驗梁的幾何尺寸均為140 mm×200 mm×1 200 mm，底部受拉縱筋合力點到底部邊緣的距離均為40 mm，剪跨比均為3。試驗梁主要變量為UHTCC層厚度，UHTCC層厚度采用0 mm、40 mm、60 mm和80 mm，按《混凝土結構設計規(guī)范》[17](GB50010—2010)規(guī)定的最小配箍率所對應的箍筋間距約為210 mm，本試驗中箍筋間距采用150 mm，試驗梁編號為UXSY，其中X代表UHTCC層厚度，Y代表箍筋間距，例如U40S150代表UHTCC層厚度為40 mm箍筋間距為150 mm的試驗梁。試驗梁詳圖如圖1所示。

表1 試驗梁詳細信息

U0S150U40S150U60S150U80S150

圖1 試驗梁詳圖(單位：mm)

所有試驗梁均在木模中采用熱澆筑的方式澆筑完成，即先澆筑規(guī)定厚度的混凝土層，振搗密實后，在混凝土初凝前澆筑UHTCC層，然后將新澆筑的UHTCC層也振搗密實，同時澆筑6個150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試塊以及3組(每組3個)70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的UHTCC立方體試塊，以測定抗壓強度，抗壓強度見表1。所有試件及立方體試塊澆筑完成后均放在室外自然養(yǎng)護28 d，每天澆水2次，同時用塑料薄膜覆蓋，以防止水分散失。

所有試驗梁均采用三點彎加載方式在10 000 kN液壓伺服試驗機上進行加載，同時在跨中加載端連接一個量程為500 kN的荷載傳感器來精確測定加載荷載，在跨中和支座處各放置一個LVDT，分別測量跨中撓度和支座沉降，為避免局壓破壞，在加載點和支座處各布置一塊寬度為80 mm的墊板。所有梁均采用荷載分級加載和位移加載相結合的方式，先荷載分級加載，每級5 kN，持續(xù)若干時間來描繪裂縫擴展曲線并記錄裂縫最大寬度，當加載到預估極限承載力的60%荷載處，換成位移加載，位移加載控制速率為(0.1～0.2) mm/min，直到下降段荷載達到70%峰值荷載時即可停止加載。

2 試驗結果與分析

2.1 破壞模式

試驗梁共發(fā)生2種破壞模式：剪壓破壞(SC)和剪壓-界面剝離破壞(S-D)。試驗結果見表2。梁U40S150發(fā)生了剪壓-界面剝離破壞，在加載過程中，界面不斷剝離，每一次界面剝離，也促使臨界斜裂縫的加劇擴展，梁最后的破壞是由于擴展到支座處的界面裂縫以及臨界斜裂縫貫穿受壓區(qū)，壓區(qū)混凝土被壓碎共同導致的。梁U0S150、U60S150和U80S150發(fā)生了剪壓破壞，臨界斜裂縫基本沿著加載點和支座的連線進行擴展，梁最終的破壞是由于壓區(qū)混凝土被壓碎導致的。需要注意的是，雖然U60S150和U80S150這兩根梁也發(fā)生了界面剝離的現(xiàn)象，但是界面裂縫并沒有擴展到支座處，且在剪切破壞前，界面裂縫長度增長已經停止，而且在UHTCC層中形成了寬度較大的主斜裂縫，因而不屬于剪壓-界面剝離破壞。

所有試驗梁峰值時肉眼可見的裂縫發(fā)展形態(tài)如圖2所示。需要注意的是，圖2中所畫出的裂縫僅僅是肉眼可觀測到的裂縫，實際上還有許多細密裂縫是肉眼不易觀察到的，當試驗梁卸載后，盡管有相當一部分細密裂縫已經閉合，但對卸載后試驗梁進行局部刷油處理后，仍然發(fā)現(xiàn)了大量細密裂縫，圖3給出了復合梁卸載刷油后界面裂縫尖端放大圖。從圖2和圖3中可明顯看出：在峰值荷載時，所有UHTCC/RC復合梁的UHTCC層中裂縫數量均多于相應RC對比梁，且隨著UHTCC層厚度增加，裂縫數量有依次增大的趨勢。而且界面裂縫并非一出現(xiàn)就立即擴展到支座處，而是隨著荷載的不斷增加，在左右剪跨內不斷交替剝離，界面裂縫每一次剝離，界面裂縫尖端下方UHTCC層就不斷有多重細密裂縫產生，有效耗散了能量，充分發(fā)揮了UHTCC材料優(yōu)異的裂縫分散能力。

表2 試驗結果

注：Pcr—剪切初裂荷載；Ps—剪跨段初始界面脫粘荷載；Pu—峰值荷載；δu—峰值撓度。

復合梁U60S150和U80S150均不同程度的出現(xiàn)了界面脫粘現(xiàn)象，但卻沒有發(fā)生沿縱筋的水平撕裂現(xiàn)象，說明UHTCC與鋼筋間具有良好的變形協(xié)調性，且UHTCC材料和鋼筋之間的粘結性強于UHTCC材料和混凝土間的界面粘結。

2.2 荷載

試驗梁的剪切初裂荷載、初始界面脫粘荷載和峰值荷載見表2。UHTCC/RC復合梁相比于RC對比梁抗剪承載力均有明顯提高，且隨著UHTCC厚度的增加，抗剪承載力分別提高了38.6%、54.4%和52.6%，這主要是由于UHTCC代替部分受拉區(qū)混凝土后，在底部受拉區(qū)混凝土開裂后，UHTCC層依然能夠通過纖維的橋接作用來傳遞拉應力，從而承擔部分剪應力，提高了梁的抗剪承載力。從表2中也可看出：UHTCC/RC復合梁剪跨段初始界面脫粘荷載僅略高于或持平于其對應的剪切初裂荷載，且隨著UHTCC層厚度的增加，初始界面脫粘荷載有逐漸增大的趨勢。

梁剪切開裂后仍能承擔荷載的能力為開裂后富余抗剪承載能力，可以用抗剪承載力與剪切初裂荷載的比值來表示，反映的是梁在剪切開裂后阻止脆性斷裂的能力。本試驗中UHTCC/RC復合梁的開裂后富余抗剪承載能力范圍為2.32～3.51，均高于RC對比梁的2.07，說明UHTCC替換部分受拉區(qū)混凝土后可以有效提高試驗梁阻止脆性斷裂的能力。

圖2 峰值時裂縫發(fā)展形態(tài)圖

圖3 試驗梁卸載刷油后界面裂縫尖端放大圖

2.3 荷載-撓度曲線

試驗梁的荷載-撓度曲線見圖4。所有試驗梁在加載初期荷載-撓度曲線線性上升，當裂縫出現(xiàn)后，試驗梁剛度降低，荷載-撓度曲線開始展現(xiàn)出非線性的特點。

圖4 試驗梁荷載-撓度曲線

RC對比梁U0S150發(fā)生了剪壓破壞，當臨界斜裂縫向上擴展到加載點附近，同時向下擴展到支座附近，受壓區(qū)混凝土由于承載力不足而被壓潰時，荷載達到峰值114 kN，峰值撓度為5.35 mm，繼續(xù)加載，荷載并沒有大幅突降，而是緩慢下降到90 kN，撓度卻由峰值撓度5.35 mm大幅增至12.69 mm，增加了7.34 mm，展現(xiàn)出較強的峰值后延性變形能力，這主要是由于本試驗中采用了間距較密集的箍筋，配箍率約為最小配箍率的1.4倍，箍筋起到了約束混凝土的作用，提高了試驗梁的延性變形能力。

U40S150發(fā)生了剪壓-界面剝離破壞，峰值前界面裂縫已擴展到支座附近，最終破壞是由擴展到支座附近的界面裂縫以及臨界斜裂縫貫穿受壓區(qū)，壓區(qū)混凝土被壓碎共同導致的。對于發(fā)生剪壓破壞的UHTCC/RC復合梁(U60S150和U80S150)，峰值前界面裂縫長度已經停止擴展，梁U60S150左側界面裂縫長度在90 kN時達到最大值175 mm，右側界面裂縫長度在110 kN時達到最大值210 mm，梁U80S150左側界面裂縫長度在105 kN時達到最大值175 mm，右側界面裂縫長度在95 kN時達到最大值115 mm，繼續(xù)加載，界面裂縫端部在UHTCC層分散出多條細裂縫向支座處擴展，最終的破壞是由臨界斜裂縫貫穿受壓區(qū)，受壓區(qū)混凝土被壓碎引起的。從以上分析可看出，雖然本試驗中采用了較密集的箍筋間距，箍筋可以有效限制界面裂縫的發(fā)展，但U40S150仍然發(fā)生了剪壓-界面剝離破壞，這主要是由于梁高為40 mm處的水平面剛好是UHTCC和RC的界面與縱筋形心水平面的交界面，該交界面最為薄弱，但增大UHTCC層厚度到60 mm和80 mm，就能有效避免剪壓-界面剝離破壞。因此從避免剪壓-界面剝離破壞和經濟角度來看，UHTCC層最佳厚度為60 mm。

侯利軍等[13]通過對無腹筋UHTCC/RC復合梁進行彎曲試驗發(fā)現(xiàn)：對于發(fā)生剪壓-界面粘結破壞的無腹筋復合梁，每一次界面剝離均導致荷載抖降，從而在荷載-撓度曲線上出現(xiàn)了多個峰值。Kim J H J等[15]在試驗中也發(fā)現(xiàn)：當DFRCC修補層為2倍保護層厚度時，無腹筋試驗梁和有腹筋試驗梁均發(fā)生了剪壓-界面脫粘破壞，但無腹筋試驗梁在峰值前出現(xiàn)了多個明顯的荷載抖降，而有腹筋試驗梁卻無此現(xiàn)象。本試驗中雖然UHTCC/RC復合梁均發(fā)生了不同程度的界面剝離現(xiàn)象，但從圖4中可看出，其對應的荷載-撓度曲線上從加載初到峰值均沒有出現(xiàn)荷載抖降，這充分說明箍筋的加入，提高了梁的整體穩(wěn)定性，有效避免了多個荷載峰值的出現(xiàn)。

2.4 裂縫寬度

所有試驗梁RC層斜裂縫寬度在0.8 mm內隨荷載變化曲線見圖5。

圖5 斜裂縫寬度隨荷載變化曲線圖

從圖5中可以看出，當斜裂縫寬度大于0.2 mm時，梁U60S150和U80S150在相同斜裂縫寬度時對應的荷載均高于U0S150，也就是說UHTCC層可以在一定程度上限制斜裂縫寬度，但40 mm厚UHTCC層對斜裂縫寬度的限制卻非常不明顯，主要原因是40 mm處的水平面恰為UHTCC和RC的界面與縱筋形心水平面的交界面，界面發(fā)生了嚴重的剝離，導致UHTCC層的限制作用并未發(fā)揮出來?？梢灶A測UHTCC替代部分受拉區(qū)混凝土后，如果界面不發(fā)生剝離的話，UHTCC層對RC層斜裂縫的限制作用會更強。

3 結 論

本文對不同UHTCC層厚度的有腹筋UHTCC/RC復合梁進行了剪切試驗研究，基于試驗結果，在將UHTCC/RC復合梁應用到工程實際時，配置適量箍筋是非常有必要的。在確定UHTCC層厚度時，建議修補厚度以完全包裹住縱筋為宜，在本文試驗中，建議UHTCC層厚度為60 mm。盡管本試驗中采用了較密集的箍筋間距，但所有UHTCC/RC復合梁仍然發(fā)生了不同程度的界面剝離，為了充分利用UHTCC材料出色的抗拉能力和優(yōu)秀的裂縫分散能力，避免界面脫粘的發(fā)生，建議在界面處加入剪力釘等增強界面粘結的措施。

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Experimental Study on Shear Behavior of UHTCC/RC Composite Beams

ZHANG Xiufang, GUO Shaopeng

(FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

Ultra high toughness cementitious composites (UHTCC) macroscopically presents tensile strain hardening characteristic because of its multiple fine steady cracking, which has excellent crack control capacity, and is suitable to be used as repair materials. The shear behavior of UHTCC/RC composite beams with web reinforcement is investigated by using UHTCC replacing partial concrete in tension region. The test variable is the thickness of UHTCC layer. The test results show that the shear bearing capacity of UHTCC/RC composite beams with different thickness of UHTCC layer is obviously higher than that of RC beam. And although the use of stirrups is still impossible to completely prevent the interface from debonding, and load drops caused by interface debonding can be effectively avoided. It is also observed that UHTCC can restrict and disperse the cracks in upper concrete. Finally, some suggestions on the practical application of UHTCC/RC composite beams are provided.

UHTCC/RC composite beam; shear behavior; interface debond; crack width; crack pattern

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.010

2017-01-28

2017-03-01

國家自然科學基金項目(51478078)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金項目(DUT15LK39)

張秀芳(1976—)，女，山西忻州人，副教授，主要從事混凝土斷裂力學、高性能混凝土材料及其結構應用的研究工作。 E-mail：sarahdlut@126.com

TU375.1

A

1672—1144(2017)03—0049—05